2016年7月22日，美国国家科学和技术委员会（NSTC）公布《推进量子信息科学：国家挑战与机遇》。报告总结分析了量子信息科学（QIS）的应用前景，分析了美国在QIS领域发展所面临的挑战和机遇，以及政府机构的投资重点等。

NSTC报告指出，QIS将开启量子传感与计量、量子通信、量子模拟和量子计算等领域的全新技术前景以及技术发展与商业化应用。QIS被应用于诸多科学领域的实验和理论中，将量子纠缠、纠错、线路复杂性等量子信息概念用于理解时空、探索黑洞等量子引力核心问题，应用量子信息的数学方法来解决算法、加密、纠错代码设计等经典计算机科学问题。

一量子信息科学的应用前景

量子传感与计量

QIS在传感与计量领域有多种用途。原子干涉仪除用于惯导外，经过改装之后还可用作重力仪，以及用于地球系统监测、矿物质精确定位等。量子授时装置，如美国国家标准技术研究院（NIST）研制的量子逻辑钟，是目前世界上最精度的授时装置之一。光子源及单光子探测技术可用来提高光敏探测器的校准精度，用来开展微量元素的探测。

量子通信

目前，量子通信是较热的研究领域。其中，量子密钥分配技术的研究受到了广泛关注。量子通信还可能应用于虚拟货币防伪和量子指纹鉴定等等。未来，量子网络将连接分布式量子传感器，用于全球的地震监测。未来5～10年，将开发出可靠的光子源及相关技术，实现远距离的量子信息传输，并推动量子处理器之间数据共享协议的相关理论研究。

量子模拟

量子模拟器使用易操控的量子系统，来研究其他难于直接研究的量子系统的属性。传统的高性能计算机受制于自身内在性能限制，无法处理一些计算科学问题，但量子模拟可以解决这些问题。基于一些不同技术研法的量子模拟器原型已在实验室环境得到了验证，包括：利用囚禁离子阵列模拟磁性材料，利用冷原子和量子点模拟简单化学反应的动态过程。未来，量子模拟可能促进对特殊材料（如高温超导体）属性的理解、对复杂分子相互作用情况的预测，并探索出新的核物理与粒子物理模型。

量子计算

目前，已经开发并验证了多种量子算法，开发出了量子计算机实验原型机，并将其推向实用化阶段。例如，一家公司已经研制出一种5量子比特的处理器，可通过互联网供研究使用。虽然仍有大量算法需要进一步验证，但未来5年，拥有数十个量子比特的量子计算系统可能问世。研发通用的量子计算机是一项长期的挑战，需要持续致力于算法、编程语言及编译器的开发。

二美国QIS面临的挑战

NSTC报告指出，尽管美国在QIS领域硕果累累，但仍然面临一系列的挑战。

1、机构内部及机构之间存在研究壁垒。目前美国大部分的QIS研究都在现有机构内部展开。例如，NSF的多个独立部门分别资助多所高校开展QIS相关的研究。在以后的QIS发展中，需要更多的沟通和合作。

2、需要开展QIS领域的专业教育。目前，除物理专业外，几乎没有其他院系深度开展量子力学课程教育。然而QIS并非仅仅涉及物理学，应该还与计算机科学、应用数学、电气工程、系统工程等领域有关。QIS的研发需要更多的跨学科领域人才。

3、QIS面临技术和知识转移问题。首先，缺乏统一的构架支持研发，难以将实验室成果转化为商业化产品。另外，高校的知识产权授权问题，目前QIS还不成熟，知识产权没有竞争力，但知识产权向市场转化仍然需要重视。

4、QIS的发展受制于量子材料的制造能力。未来，美国将为研究团体提供更加灵活的方式来利用国家设施设备，探索新材料和概念型设备，最终提高QIS的理论与应用研究。

5、美国政府资助不稳定，导致高校QIS研究项目会中断、人才转行或流失到国外。NSTC认为美国需提高研究资助的额度和稳定性。

三美国政府机构对QIS的投资

美国政府支持量子信息科学（QIS）及相关领域的研究已有20余年。当前，政府每年资助QIS基础研究和应用研究经费大约是2亿美元。美国国防部（DOD）、美国能源部（DOE）、美国国家标准技术研究院（NIST）、美国国家科学基金会（NSF）、情报先进研究计划署（IARPA）等机构都对QIS研究进行了一系列的资助。

美国国防部（DOD）

美国国防部的基础研究机构，包括美国空军科学研究办公室（AFOSR）、陆军研究办公室（ARO）、海军研究办公室（ONR）、国防部长办公室（OSD）等都非常支持QIS的基础研究和应用研究，重点放在国家安全应用，如精密导航、精确定时和安全量子网络。从2011财年到2015财年，OSD设置了12个多学科大学研究倡议（MURI）奖以资助QIS相关的研究。这些奖项相比其他政府资助项目层次更高、时间持续更长，支持团队的合作机制。[h1] 从2016财年开始，OSD支持为三军服务[h2] [h3] 的量子科学和工程项目（QSEP），在联合服务实验室开发可扩展的量子网络、纠缠实用量子存储，演示跨网络的高灵敏度传感器应用。海陆空各军的研究实验室也支持各自的QIS相关的项目。值得注意的是，陆军研究实验室（ARL）从2015财年开始，启动了一个五年的合作项目研究，联合ARL、大学、工业届和其它政府研究人员，开发一个多站点、多节点、模块化的量子网络。马里兰大学物理科学实验室（LPS）和陆军研究办公室（ARO）合作进行量子通信和量子计算的研究。

美国国防高级研究计划局（DARPA）一直持续的资助量子信息科学不同领域的项目。其中“量子辅助传感与读取（QuASAR）”项目旨在研发工作在低于或接近于标准量子极限条件下的传感器；Quiness项目旨在探索改进量子通信的各种方案；“光学晶格仿真器（OLE）”项目旨在模拟原子系统中量子材料的属性；“量子纠缠科学与技术（QuEST）”项目旨在解决量子信息科学领域突出挑战的创新性方案；近期启动的“光子探测的基础极限（Detect）”项目旨在研发能够应用于量子信息科学领域的促进光子探测器建模与制造方面革命性进步的创新方案。

美国能源部（DOE）

在过去十年里，一些受到美国科学和国家核安全管理局办公室（NNSA）资助的美国能源部的实验室已经开始主动的发展QIS，并且越来越认识到这样可以支持能源部的工作。从2017财年开始，能源部将支持一些感兴趣的量子模拟和量子计算核心项目研究。最初，这些项目将侧重于开发用于量子计算的试验台，用于基础应用数学、计算机科学研究和算法开发，以及包括基础能源科学、高能物理中的应用研究使用。此外，美国能源部正在与科学界合作探索基于QIS的提高量子材料、合成结构、制备、表征和自然科学理论技术的方法。

美国情报先进研究计划署（IARPA）

IARPA计划在未来几年持续资助量子计算。“逻辑量子比特”项目旨在通过从一些有瑕疵的物理量子比特中建立逻辑量子比特，来克服当前多量子比特系统的局限；“量子增强优化”项目旨在利用量子效应，来提高量子退火组合优化方案。IARPA将继续资助新的计算方法，包括能够提高情报有效性和安全性的量子算法。

美国国家标准技术研究所（NIST）

NIST的QIS工作已有20多年。1995年，NIST首次演示了2量子比特门；2013年，开发了一些当时世界上最灵敏的单光子探测器；2010年，开发了基于量子纠缠原理的量子逻辑钟。现在NIST重点支持量子通信、量子计算和量子测量。在2016财年，NIST增加了资助资金用来支持量子传感和测量。在2017财年，NIST计划加强对量子计算的研究支持，来响应国家战略计算计划。NIST也支持马里兰大学（UMD）的两个QIS联合研究中心。

2006年，NIST、UMD和物理科学实验室成立了联合量子学会（JQI），这是一个世界级的研究机构，进行原子物理学、凝聚态物理学和量子信息科学的思想交流。2014年，NIST和UMD建立了量子信息和计算科学（QuICS）联合中心，作为JQI的补充，重点放在如何用量子系统来存储、传输和处理信息。QuICS和JQI将培养更多的QIS科学家。

美国国家科学基金会（NSF）

NSF资助了几十年的QIS的物理科学、数学、计算机科学和工程的基础研究。另外，NSF的物理分部已经支持了十多年的“量子信息科学和革命计算”项目。NSF也资助了两个QIS相关物理前沿中心。从2011年开始，加州理工学院的量子信息和物质研究所重点关注量子信息、量子物质、量子光学和量子力学系统。2008年开始，JQI的物理学前沿中心一直在探索各种控制和处理量子相干和纠缠的方法。近几年，NSF已看到越来越多的高质量QIS提案，NSF也进行了相应的回应。2016财年，NSF的工程局选定“推进通信量子信息研究在工程中的应用”作为一个新兴的前沿研究创新项目。NSF已经将QIS添加到“小企业创新研究和中小企业技术转移”（SBIR/STTR）项目当中，并促进合作、提供博士后人才培训。NSF宣布在2017财年开发“连接在量子信息科学”项目。该项目将由NSF的数学和物理科学（MPS）、工程（ENG）、计算机和信息科学与工程（CISE）负责组织，促进QIS研究在三个学科的交叉发展。